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    <title>如何正确地写出单例模式 | Jark&#39;s Blog</title>
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    <meta name="author" content="WuChong">
    
    <meta name="description" itemprop="description" content="单例模式算是设计模式中最容易理解，也是最容易手写代码的模式了吧。但是其中的坑却不少，所以也常作为面试题来考。本文主要对几种单例写法的整理，并分析其优缺点。很多都是一些老生常谈的问题，但如果你不知道如何创建一个线程安全的单例，不知道什么是双检锁，那这篇文章可能会帮助到你。">
    
    
    <meta name="description" content="单例模式算是设计模式中最容易理解，也是最容易手写代码的模式了吧。但是其中的坑却不少，所以也常作为面试题来考。本文主要对几种单例写法的整理，并分析其优缺点。很多都是一些老生常谈的问题，但如果你不知道如何创建一个线程安全的单例，不知道什么是双检锁，那这篇文章可能会帮助到你。">
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<meta property="og:title" content="如何正确地写出单例模式">
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<meta property="og:site_name" content="Jark's Blog">
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<meta name="twitter:title" content="如何正确地写出单例模式">
<meta name="twitter:description" content="单例模式算是设计模式中最容易理解，也是最容易手写代码的模式了吧。但是其中的坑却不少，所以也常作为面试题来考。本文主要对几种单例写法的整理，并分析其优缺点。很多都是一些老生常谈的问题，但如果你不知道如何创建一个线程安全的单例，不知道什么是双检锁，那这篇文章可能会帮助到你。">
<meta name="twitter:creator" content="@jarkwu">
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	<article itemprop="articleBody"> 
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  <h1 itemprop="name">
    
      <a href="/blog/2014/08/28/how-to-correctly-write-singleton-pattern/" title="如何正确地写出单例模式" itemprop="url">如何正确地写出单例模式</a>
  </h1>
  <p class="article-author">By
       
		<a href="https://plus.google.com/111190881341800841449?rel=author" title="WuChong" target="_blank" itemprop="author">WuChong</a>
		
  <p class="article-time">
    <time datetime="2014-08-28T08:43:39.000Z" itemprop="datePublished"> 发表于 2014-08-28</time>
    
  </p>
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	<div class="article-content">
		
		<div id="toc" class="toc-article">
			<strong class="toc-title">文章目录</strong>
		
			<ol class="toc"><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#懒汉式，线程不安全"><span class="toc-number">1.</span> <span class="toc-text">懒汉式，线程不安全</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#懒汉式，线程安全"><span class="toc-number">2.</span> <span class="toc-text">懒汉式，线程安全</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#双重检验锁"><span class="toc-number">3.</span> <span class="toc-text">双重检验锁</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#饿汉式_static_final_field"><span class="toc-number">4.</span> <span class="toc-text">饿汉式 static final field</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#静态内部类_static_nested_class"><span class="toc-number">5.</span> <span class="toc-text">静态内部类 static nested class</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#枚举_Enum"><span class="toc-number">6.</span> <span class="toc-text">枚举 Enum</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#总结"><span class="toc-number">7.</span> <span class="toc-text">总结</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#Read_More"><span class="toc-number">8.</span> <span class="toc-text">Read More</span></a></li></ol>
		
		</div>
		
		<p>单例模式算是设计模式中最容易理解，也是最容易手写代码的模式了吧。但是其中的坑却不少，所以也常作为面试题来考。本文主要对几种单例写法的整理，并分析其优缺点。很多都是一些老生常谈的问题，但如果你不知道如何创建一个线程安全的单例，不知道什么是双检锁，那这篇文章可能会帮助到你。</p>
<h2 id="懒汉式，线程不安全">懒汉式，线程不安全</h2>
<p>当被问到要实现一个单例模式时，很多人的第一反应是写出如下的代码，包括教科书上也是这样教我们的。</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre>1
2
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4
5
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7
8
9
10
11
</pre></td><td class="code"><pre><span class="keyword">public</span> <span class="class"><span class="keyword">class</span> <span class="title">Singleton</span> {</span>
    <span class="keyword">private</span> <span class="keyword">static</span> Singleton instance;
    <span class="keyword">private</span> <span class="title">Singleton</span> (){}

    <span class="keyword">public</span> <span class="keyword">static</span> Singleton <span class="title">getInstance</span>() {
     <span class="keyword">if</span> (instance == <span class="keyword">null</span>) {
         instance = <span class="keyword">new</span> Singleton();
     }
     <span class="keyword">return</span> instance;
    }
}
</pre></td></tr></table></figure>

<p>这段代码简单明了，而且使用了懒加载模式，但是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候，就会创建多个实例。也就是说在多线程下不能正常工作。<br><a id="more"></a></p>
<h2 id="懒汉式，线程安全">懒汉式，线程安全</h2>
<p>为了解决上面的问题，最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步（synchronized）。</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre>1
2
3
4
5
6
</pre></td><td class="code"><pre><span class="keyword">public</span> <span class="keyword">static</span> <span class="keyword">synchronized</span> Singleton <span class="title">getInstance</span>() {
    <span class="keyword">if</span> (instance == <span class="keyword">null</span>) {
        instance = <span class="keyword">new</span> Singleton();
    }
    <span class="keyword">return</span> instance;
}
</pre></td></tr></table></figure>

<p>虽然做到了线程安全，并且解决了多实例的问题，但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要，即第一次创建单例实例对象时。这就引出了双重检验锁。</p>
<h2 id="双重检验锁">双重检验锁</h2>
<p>双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁，因为会有两次检查 <code>instance == null</code>，一次是在同步块外，一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次？因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if，如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre>1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
</pre></td><td class="code"><pre><span class="keyword">public</span> <span class="keyword">static</span> Singleton <span class="title">getSingleton</span>() {
    <span class="keyword">if</span> (instance == <span class="keyword">null</span>) {                         <span class="comment">//Single Checked</span>
        <span class="keyword">synchronized</span> (Singleton.class) {
            <span class="keyword">if</span> (instance == <span class="keyword">null</span>) {                 <span class="comment">//Double Checked</span>
                instance = <span class="keyword">new</span> Singleton();
            }
        }
    }
    <span class="keyword">return</span> instance ;
}
</pre></td></tr></table></figure>

<p>这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于<code>instance = new Singleton()</code>这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。</p>
<ol>
<li>给 instance 分配内存</li>
<li>调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量</li>
<li>将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）</li>
</ol>
<p>但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。</p>
<p>我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre>1
2
3
4
5
6
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8
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11
12
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16
</pre></td><td class="code"><pre><span class="keyword">public</span> <span class="class"><span class="keyword">class</span> <span class="title">Singleton</span> {</span>
    <span class="keyword">private</span> <span class="keyword">volatile</span> <span class="keyword">static</span> Singleton instance; <span class="comment">//声明成 volatile</span>
    <span class="keyword">private</span> <span class="title">Singleton</span> (){}

    <span class="keyword">public</span> <span class="keyword">static</span> Singleton <span class="title">getSingleton</span>() {
        <span class="keyword">if</span> (instance == <span class="keyword">null</span>) {                         
            <span class="keyword">synchronized</span> (Singleton.class) {
                <span class="keyword">if</span> (instance == <span class="keyword">null</span>) {       
                    instance = <span class="keyword">new</span> Singleton();
                }
            }
        }
        <span class="keyword">return</span> instance;
    }
   
}
</pre></td></tr></table></figure>

<p>有些人认为使用 volatile 的原因是可见性，也就是可以保证线程在本地不会存有 instance 的副本，每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子，取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。</p>
<p>但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。</p>
<p>相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式，当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。</p>
<h2 id="饿汉式_static_final_field">饿汉式 static final field</h2>
<p>这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre>1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
</pre></td><td class="code"><pre><span class="keyword">public</span> <span class="class"><span class="keyword">class</span> <span class="title">Singleton</span>{</span>
    <span class="comment">//类加载时就初始化</span>
    <span class="keyword">private</span> <span class="keyword">static</span> <span class="keyword">final</span> Singleton instance = <span class="keyword">new</span> Singleton();
    
    <span class="keyword">private</span> <span class="title">Singleton</span>(){}

    <span class="keyword">public</span> <span class="keyword">static</span> Singleton <span class="title">getInstance</span>(){
        <span class="keyword">return</span> instance;
    }
}
</pre></td></tr></table></figure>

<p>这种写法如果完美的话，就没必要在啰嗦那么多双检锁的问题了。缺点是它不是一种懒加载模式（lazy initialization），单例会在加载类后一开始就被初始化，即使客户端没有调用 getInstance()方法。饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用：譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的，在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它，那样这种单例写法就无法使用了。 </p>
<h2 id="静态内部类_static_nested_class">静态内部类 static nested class</h2>
<p>我比较倾向于使用静态内部类的方法，这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre>1
2
3
4
5
6
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8
9
</pre></td><td class="code"><pre><span class="keyword">public</span> <span class="class"><span class="keyword">class</span> <span class="title">Singleton</span> {</span>  
    <span class="keyword">private</span> <span class="keyword">static</span> <span class="class"><span class="keyword">class</span> <span class="title">SingletonHolder</span> {</span>  
        <span class="keyword">private</span> <span class="keyword">static</span> <span class="keyword">final</span> Singleton INSTANCE = <span class="keyword">new</span> Singleton();  
    }  
    <span class="keyword">private</span> <span class="title">Singleton</span> (){}  
    <span class="keyword">public</span> <span class="keyword">static</span> <span class="keyword">final</span> Singleton <span class="title">getInstance</span>() {  
        <span class="keyword">return</span> SingletonHolder.INSTANCE; 
    }  
}
</pre></td></tr></table></figure>

<p>这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。</p>
<h2 id="枚举_Enum">枚举 Enum</h2>
<p>用枚举写单例实在太简单了！这也是它最大的优点。下面这段代码就是声明枚举实例的通常做法。</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre>1
2
3
</pre></td><td class="code"><pre><span class="keyword">public</span> <span class="keyword">enum</span> EasySingleton{
    INSTANCE;
}
</pre></td></tr></table></figure>

<p>我们可以通过EasySingleton.INSTANCE来访问实例，这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的，所以不需要担心double checked locking，而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。但是还是很少看到有人这样写，可能是因为不太熟悉吧。</p>
<h2 id="总结">总结</h2>
<p>一般来说，单例模式有五种写法：懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举。上述所说都是线程安全的实现，文章开头给出的第一种方法不算正确的写法。</p>
<p>就我个人而言，一般情况下直接使用饿汉式就好了，如果明确要求要懒加载（lazy initialization）会倾向于使用静态内部类，如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。</p>
<h2 id="Read_More">Read More</h2>
<ul>
<li><a href="http://javarevisited.blogspot.sg/2014/05/double-checked-locking-on-singleton-in-java.html" target="_blank" rel="external">Double Checked Locking on Singleton Class in Java</a></li>
<li><a href="http://javarevisited.blogspot.sg/2012/07/why-enum-singleton-are-better-in-java.html" target="_blank" rel="external">Why Enum Singleton are better in Java</a></li>
<li><a href="http://javarevisited.blogspot.com/2012/12/how-to-create-thread-safe-singleton-in-java-example.html" target="_blank" rel="external">How to create thread safe Singleton in Java</a></li>
<li><a href="http://javarevisited.blogspot.com/2011/03/10-interview-questions-on-singleton.html" target="_blank" rel="external">10 Singleton Pattern Interview questions in Java</a></li>
</ul>
  
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		<p> Hello,I&#39;m WuChong. For now I&#39;m a graduate student in Beijing. <br/>
			I&#39;ll share my learning experience with you at this blog.</p>
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